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佛山鋰電池 對未來鋰電池體系的個人分析與展望

2023-03-17 12:56:58

佛山鋰電池對于未來的鋰電池的體系的發展,我想要從主要的幾個電池體系簡單的分析一下,主要是液態的鋰離子電池,半固態以及固態的鋰離子電池,鋰硫電池,以及鋰氣體電池.

佛山鋰電池

鋰離子電池

其實在之前的文章里面以及大致對目前市面上流行的液態鋰離子電池進行了比較大致的總結和優缺點分析。值得指出的是LCO應該會持續在3c產品里面占據不可動搖的地位。LCO良好的綜合性能使得它依舊是手機上不可撼動的一部分,而LCO目前的研究重點依舊是如何提高它的電壓,目前的階段是在4.4V的基礎上繼續提升,目標是在4.5-4.6V。如果能把LCO的電壓從4.4V提升到4.5V,那么它的容量將會是大約25%的提升(從140mAh/g到180mAh/g)。蘋果公司等手機廠家都致力于這種方向的研究,這也是為什么在手機芯片能力逐步提升的過程中手機依舊能保持一天一充的一個頻率,不過總體來說這個方向并不是研究的重點。并且4.5V對于鋰離子電池來說是一道門檻。在這個電壓下很多常用的電解液體系都面臨著穩定性的挑戰。因此在提升正極材料的電壓的同時還得尋找同樣在高壓下穩定的電解液材料并且保證電池性能的提升,可以說是非常具有挑戰性了。

鋰電池廠家

LFP和NCM目前主要還是集中在在電動汽車上的應用,但是很明顯LFP在逐漸的占據電動汽車電池的領導地位,然而從電池性能和發展方向來看LFP電池基本是在朝著更加大的電池單體以及更加緊湊的電池組排列來增加電池的性能,NCM電池則是更多對于能量密度的提升,是在跑車等高性能車上的不二選擇。只能說在未來可能這兩種電池的電動汽車應用場景應該會更加細分,在寒冷、偏遠地區NCM比LFP占據更大優勢而LFP在城市、短途等應用場景更加占有。這里順便可以提一下ONE的電動汽車把LFP電池和無負極電池組合(anode free)從而達到短途旅行占多數,偶爾長途的這樣一種更加實際的應用場景。無論他們的產品最終能否達到這樣的一個水平,這種組合在投資上是一種較為占優的策略。

佛山鎳氫電池

LFP電池在未來可能也有一定的民用儲能設備的市場前景,不過對于儲能市場,價格,或者說均化能源成本(levelized cost of energy, LCOE)是更加值得考慮的因素。因為對于民用儲能設備來說成本以及安全性是遠大于使用舒適程度和能量密度等因素。對于電池來說簡單的LCOE計算如下: 

LFP相對于其他鋰離子電池體系有著安全性和壽命兩大優勢,因此可以說是在儲能領域鋰電池的唯一選擇。但是在儲能領域有著更多的其他電池體系或許有著比LFP更加有優勢的選擇比如熱儲能電池,液流電池燃料電池等等(可能下次會寫這一方面吧)。而NCM電池則會在對能量密度有需求的領域繼續占據重要的地位,比如空中飛行器、電動卡車等等,目前主要在研究安全性和如何除去鈷在NCM中的使用。

佛山電池廠

對于鋰離子電池的負極,目前使用的石墨負極其實對鋰電池的能量密度的影響是很大的,并且最終目標都是朝著鋰金屬負極的方向進行發展,然而目前的困難依舊很多。最大的問題可能還是如何解決鋰金屬的制備問題。如果要達到理論上的能量密度,那么超薄的鋰金屬薄片是必須的,而其制備會受到鋰金屬本身反應性的影響而有著較高的成本。目前更多的商業或者學術研究還是以硅負極為目標,然而金屬硅的體積膨脹問題很難解決,即使是使用了氧化亞硅依舊有著較大的問題。目前還是更多的研究如何和碳負極進行復合使用,比如進行包覆或者納米化等技術從而提高能量密度。比如從5%的硅含量提升到10%就可以提升大約1/4的負極能量密度。

目前還有一些新型的技術比如無負極電池,富鋰正極電池等等,不過技術本身都不夠成熟有著較大的缺陷,但是或許就像上文提到的一樣可以和其他的化學體系進行合并使用。

電池廠家

半固態以及固態鋰電池

固態電池這個概念從它在90年代出現開始就一直是一個非?;馃岬脑掝}。主要集中于其安全性和高能量密度,一般認為固態電池因為沒有電解液,因此可以使用金屬鋰電極,并且沒有火災隱患。然而這樣的優點是有爭議的,固態電池發展到現在,無論是早期的電解質電導率問題以及現在對其安全性的質疑都在詢問我們這樣一個問題 - 固態電池真的好嗎?

要準確的認識固態電池這樣一個概念首先要從其電解質出發。一般來說電池內充滿了不導電子反而導離子的液體,并且正負極是由一層隔膜進行隔絕開以防短路的。對于鋰電池來說,由于鋰金屬的還原電位特別低(-3.04V vs. SHE)因此鋰電池的電壓能很高,一般都超過了3V,這是一個很好的優點,因為電壓越高,能量密度越大 ?=?×? ,然而由于其高電壓,我們就無法使用水這樣一個電解液,因為水的分解電壓只有1.23V 而只能轉向具有更高電壓承受范圍的有機液體,這也是為什么早期的電池都有水,而到了鋰電池就沒有了水。而這樣的有機液體最大的問題就是易燃,大部分有機物都是具有可燃性的,而用在鋰電池中的電解液又極度易燃。因此我們一般認為鋰電池的安全性很差。在這樣的一種情形下我們如果用有機物作為電解質實際上并沒有解決電池的可燃性問題。從本質上來講有機固態電解質并沒有阻燃性,只能說它的燃燒溫度特別高,一般可以達到200-400多度,然而電池的短路是可以在短時內達到這樣的溫度。因此當電池真的短路了之后,熱量聚集同樣會引發絕大多數有機固態電解質的燃燒而引發熱失控。同樣對于以陶瓷為電解質的電池,短路了之后熱量同樣會聚集。陶瓷的優點是不可燃,但是熱傳導能力很差,很容易造成局部的高溫。這個會對電池的封裝以及環境的要求很高,誰也不會想要一個1000多度的暖寶寶在你的設備里面。當然,這兩種體系的安全性確實是比目前的液體電池體系是要高的,然而如果不能解決電池短路問題,那么并不能說是安全的。

那么可能有人會說你都用陶瓷作為電解質了,那么怎么還能短路???事實上這也是人們之前所認為的,事實上隨著研究的深入,人們發現固態電池實際上也會產生內部的枝晶從而造成短路,并且由于陶瓷的脆性,以及固態電池的低離子電導率甚至可能比傳統電池更加容易造成短路。更不用說固態電解質的界面以及室溫電導率問題使得它本身的性能就并不是很出色。而對于使用鋰負極,同樣的,鋰電極的制備本身就不簡單,在加上和電解質界面兼容度差,一般都是要使用大大過量的鋰金屬而遠遠達不到理論的能量密度。因此從我個人的角度來看目前的固態電池技術,即使是最最前沿的都遠遠達不到實用的標準,即使在不考慮成本的情況下。

那么我們為什么還能經常聽到固態電池會在10年內商業化?這里除了有一種商業上的宣傳因素以外還有一種對概念的混淆。很多情況下所謂的固態電池(solid-state battery)并不是真正的的固態電池,反而可能指半固態電池(semi-solid-state battery or quasi-solid-state battery),真正的固態電池一般會說全固態電池(All-solid-state battery)。因此在概念上玩了一個文字游戲,所以會讓人產生一種固態電池馬上量產的錯覺。那這里的半固態電池又是指什么?一般來說是固態電解質和傳統有機電解液的結合。固態電解質的幾個缺點主要還是集中于電導率低和界面兼容性差,如果我們加入部分的電解液填補這些分析,增強流動性那么理所當然的能提高其性能,而這也是目前大部分公司的目標,在提升一定的安全性的同時保證其性能。而這里安全性的提升還是得先打一個問號?

并且半固態鋰電池這樣的一個概念并不新鮮,早在20世紀初SONY公司就已經商業化了凝膠鋰電池,用我們今天的話來說就是固態有機電解質基半固態電池,現在的研究只能說是換了一個名字而已。不過半固態電池能確確實實提升電池的性能,這個也正是公司們大力發展這樣的一個技術的原因。然而即使這樣,這其中依舊存在著一些有趣的地方。就比如半固態電池里面液體電解液的含量,添加了50%電解液的半固態電池和添加了5%電解液的半固態電池都能叫半固態電池,但是其中性能上的差距可想而知。不過這也給了電池廠家一定的靈活度,如果對于某種電池注重安全性那就少加點電解液,注重性能就多加點電解液。因此在對這種技術的評估的時候要格外小心。

鋰硫電池

鋰硫電池是一種有趣的體系,很多人認為這個將會是我們從液體電解質到固體電解質之間的過度。特別是日系的一些企業,直到我寫這篇文章為止他們都依舊熱衷于對鋰硫電池的研究。然而無論是固態還是液態的鋰硫電池都有著一系列嚴重的問題。如果使用液態的電解液,那么鋰的多硫化物能溶解于大部分目前常用溶劑中造成穿梭而造成活性物質的損失,性能的下降。而使用一些能阻止穿梭效應的電解液比如醚類電解液則有著安全性能,穩定性能等的一系列問題。對于固態的鋰硫電池來說硫基電解質的電導率其實是要好于氧化物型固態電解質的,但是其空氣穩定性,對鋰金屬穩定性都存在著很大的問題,商業化的生產是對生產環境的一種挑戰。更不用說硫本身的電子電導率非常差,在電池中很難進行大電流的循環,以及其在循環過程中的體積變化都是對其商業化的一種挑戰。不過同樣我們也可以看出鋰硫電池的問題好像并不是完全無法解決,就比如對隔膜的改性而阻止鋰硫化合物的穿梭,以及用硫碳復合電極來改善其性能和穩定性,再加上其極高的理論能量密非常吸引人。我想這也是為什么這些日企對鋰硫電池如此鐘情的原因吧,把鋰硫電池作為一個中期的發展目標我個人覺得確實可能是一個不錯的選擇,但是其距離量產化也確實仍舊有著不小的距離,至少我覺得20年的研究是需要的。

佛山鋰電池

鋰氣體電池

鋰氣體電池,或者說鋰空氣電池一直是一個很有爭議的領域,從最開始的反應機理的誤解,到目前的鋰-氧氣電池都存在著種種缺陷。理論上來說鋰空氣電池有著在所有體系中最高的能量密度,因為空氣電極幾乎沒有重量并且使用了鋰金屬,但是這些計算都沒有包括氣體的儲存系統對電池重量的影響。并且目前的研究更多的是專注一專一一種氣體,二氧化碳或者氧氣,而直接使用空氣則會造成一系列問題比如催化劑的中毒,極其糟糕能量轉換效率(round-trip efficiency)等等的問題。雖然最近鋰空氣電池在學術界有著一定的進展,但是如果要達到實用的階段還是有很多的性能指標沒有達到,更不用說電池本身的成本問題了。因此個人對這樣一種電池體系是抱有一種悲觀的態度。然而這究竟是否是學術圈的自娛自樂還是需要時間去進行驗證。然而在可以預見的未來30年內這樣一種電池體系還遠遠達不到商用的地步。


其實我覺得電池作為目前較為火熱的研究領域還有太多可以進行討論,比如鈉離子電池,水系電池,燃料電池甚至一些特殊的電池體系都有著其獨特的應用,再雙碳這樣的一個背景下面技術的進步顯得尤為的重要,政策的支持更是這些技術能開花結果的一大助力,但是對于新興技術我們要進行客觀和深入的研究,而不能一味聽信于一家之言。不過我個人認為未來的儲能領域由于應用場景的不同,不同的技術大概率是會同時進行使用的,更多要考慮資源的分布以及能源的便利性,百花齊放估計是之后一段時間的主流。



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